450Wh/kg，這是截至目前投入實用的能量密度最高值!不止于此，安普瑞斯已經(jīng)公布說，不久的將來將推出能量密度為500Wh/kg的鋰電池。
正極材料創(chuàng)新已到瓶頸期
先來看看為什么說450這個數(shù)字不易得。
據(jù)電車匯統(tǒng)計：從2019年第3批目錄申報車型到2020年第13批推薦目錄，磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)能量密度雷打不動，一直都是161.27Wh/kg。
2022年第1批推薦目錄中，除了宇通的一款車型達(dá)到了最大值161.29Wh/kg以外，多數(shù)廠商依舊在161.27Wh/kg這個數(shù)字上打轉(zhuǎn)。
也就是說，磷酸鐵鋰電池的理論上限已經(jīng)很難突破。
那么高能量密度的三元電池現(xiàn)狀如何?
2021年7月，在工信部最新一批新能源汽車推薦目錄中，一汽集團申報了新款紅旗E-HS9，搭載的是寧德時代生產(chǎn)的三元電池，系統(tǒng)能量密度高達(dá)206Wh/kg。在此批次目錄之前，能量密度最高的是國軒高科，為北汽和長安兩款車型配套的電池能量密度均超過200Wh/kg，達(dá)到201Wh/kg。
也就是說，在目前能夠量產(chǎn)的三元電池中，能超過200Wh/kg已經(jīng)殊為不易。
磷酸鐵鋰和三元兩個詞都是針對正極材料而言。從近年來的電池創(chuàng)新來看，一方面是正極材料成本占比很大，另外也是因為鋰電池的技術(shù)創(chuàng)新主要從正極來進行。
除了正極材料創(chuàng)新，還有電池結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新，這方面特斯拉于不久前剛剛量產(chǎn)的4680是典型代表。據(jù)官方介紹，新的電池包采用無模組設(shè)計，大約有960個(40x24)電池組成，相比上千個2170電池組成的電池包要少很多，因為4680電池的能量密度提升了5倍，達(dá)到了300Wh/kg。
負(fù)極材料可能突破
既然從正極出發(fā)遇到了困境，那么是不是從負(fù)極出發(fā)來進行技術(shù)創(chuàng)新，來提升能量密度?安普瑞斯就是這么做的。
先來了解一下目前鋰電池常用的負(fù)極材料：
在石墨大規(guī)模用作鋰電池負(fù)極材料之前，負(fù)極材料已經(jīng)經(jīng)歷過兩次顛覆式創(chuàng)新。1991年，日本索尼聯(lián)合旭化成株式會社公布商業(yè)化鋰電池，當(dāng)時負(fù)極材料采用的是石油焦。后來石油焦被中間相碳微球(MCMB)替代，這是一種從瀝青中提取出來的小球體材料。由于智能手機的深入應(yīng)用，MCMB生產(chǎn)復(fù)雜且效率很低，于是它在負(fù)極材料的霸主地位逐漸被石墨取代。由于石墨導(dǎo)電性好，結(jié)晶程度高，具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，十分適合鋰離子的反復(fù)嵌入-脫嵌，是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的負(fù)極材料。更重要的是制取方便，不僅有天然石墨，而且人工也可以制取石墨。
現(xiàn)在人工石墨技術(shù)已經(jīng)非常成熟，尤其是我國企業(yè)在這方面具有成本優(yōu)勢，使得我國貝特瑞、璞泰來、上海杉杉等負(fù)極材料企業(yè)占據(jù)了超全球80%以上的市場。
生產(chǎn)石墨負(fù)極材料的公司幾經(jīng)技術(shù)迭代，目前來看，開發(fā)的高端產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了360mAh/g 的指標(biāo)(璞泰來數(shù)據(jù))，達(dá)到了石墨比容量372mAh/g的理論極限。
也就是說，無論再怎么技術(shù)進化，從石墨這里挖到的潛力已經(jīng)有限。
人們把視線轉(zhuǎn)向了理論比容量比石墨要高的硅基材料。理論上講，硅基材料比容量能超過4000mAh/g，這是石墨材料的十倍。
但是高容量也帶來很大的負(fù)面影響。其中最重要的是高損耗，鋰離子電池在使用期間，形成回路的鋰離子會在負(fù)極上結(jié)合電子。這個過程相當(dāng)于鋰離子鉆進了負(fù)極材料，形成的鋰結(jié)晶會把負(fù)極結(jié)構(gòu)擠爆。也就是說，吸收的鋰離子越多，帶來的能量越大，但破壞得也越劇烈。尤其是硅晶體是正四面體結(jié)構(gòu)(石墨是層狀結(jié)構(gòu))，所以更容易膨脹，膨脹率可達(dá)到300%。這會讓電池變得更加不穩(wěn)定。
華裔天才的構(gòu)想
如何克服這個問題，中外科學(xué)家都在努力。
去年5月12日，在中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟2021年度會議上，國家動力電池創(chuàng)新中心交出了一款能量密度高達(dá)356Wh/kg的三元鋰電池，這款電池采用的就是硅基負(fù)極材料。不過該款電池目前處于原型階段還沒有達(dá)到量產(chǎn)。
安普瑞斯解決高比容帶給電池爆炸風(fēng)險的方式是使用硅納米線。
安普瑞斯的硅納米線技術(shù)是在電池極片上直接生長硅納米線，其在吸收鋰原子后膨脹至正常體積的四倍，但不同于一般的硅結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的硅材料可以通過軸向膨脹很好的釋放應(yīng)力，不會造成納米線的龜裂或破損，從而阻止了電極的粉末化。
此外，使用硅納米線的負(fù)極厚度僅為碳材料負(fù)極厚度的一半。
根據(jù)Enpower的數(shù)據(jù)，目前特斯拉的Model 3電池是最先進的，能量密度也僅有 260Wh/kg(730Wh/ l)。按重量計算，Amprius鋰電池的能量比特斯拉Model 3的電池高出73%，而體積卻減少了37%。
這一方案的提出者也就是安普瑞斯的創(chuàng)始人之一，華裔教授崔屹。2007年，還在斯坦福材料科學(xué)與工程系擔(dān)任教職的他，在Nature Nanotechnology上發(fā)布了《使用硅納米線的高性能鋰電池負(fù)極》的論文，詳細(xì)闡釋了硅納米線技術(shù)在鋰電池中的應(yīng)用。根據(jù)當(dāng)時的測算，硅納米線會讓電池能量密度上升30%-80%?？吹竭@一可能的風(fēng)口，風(fēng)投市場的不少人都下場勸說崔屹將技術(shù)商業(yè)化。2008年，崔屹與風(fēng)投合伙人Mark Platshon共同成立安普瑞斯，董事會里面甚至有朱棣文的名字，而朱棣文和崔屹一樣都是屬于斯坦福學(xué)術(shù)圈的學(xué)者。
雖然安普瑞斯總部在美國，但是產(chǎn)品的商業(yè)化生產(chǎn)又回到了負(fù)極材料大國中國。早在2014年，安普瑞斯就與無錫工業(yè)發(fā)展集團合資籌建安普瑞斯(無錫)有限公司，用于硅納米線的成熟應(yīng)用和生產(chǎn)。
不過比起當(dāng)時的規(guī)劃，安普瑞斯的商業(yè)化現(xiàn)實要艱難得多。2021年12月，安普瑞斯宣布，正在努力實現(xiàn)每年數(shù)百兆瓦時的電池量產(chǎn)，預(yù)計將在2024年開始大規(guī)模生產(chǎn)。
來自特斯拉的評判
安普瑞斯曾在 2021年11月8日宣布了405Wh/kg的電池，僅幾個月能量密度就達(dá)到了 450Wh/kg。去年 12 月，該公司稱其370Wh/kg的版本可以在大約6分鐘內(nèi)從0 充電到80%。
安普瑞斯科技公司的首席運營官伯恩斯坦說：“與之前在2021年11月8日宣布的405Wh/kg產(chǎn)品相比，這一進步凸顯了我們在提供具有無與倫比的性能的產(chǎn)品方面的路線圖的加速。我們專有的Si-NanowireTM平臺和我們開發(fā)的綜合解決方案實現(xiàn)了無與倫比的性能，并繼續(xù)保持我們的產(chǎn)品領(lǐng)先地位。”
然而這套“完美”的解決方案，依舊存在著高昂的代價。硅納米線屬于納米材料，生產(chǎn)難度高。并且為了形成穩(wěn)定循環(huán)需要進行預(yù)鋰化處理。
安普瑞斯2月16日發(fā)布消息中的“高空偽衛(wèi)星”項目，類似高空氣球，目前用于商業(yè)化的也只有這一個項目。雖然伯恩斯坦是把商業(yè)化預(yù)期放到了“飛行汽車”和無人機上，甚至規(guī)劃了500Wh/kg電池的量產(chǎn)。但有媒體認(rèn)為，安普瑞斯距離降低成本大規(guī)模生產(chǎn)還很遙遠(yuǎn)。
有人認(rèn)為，安普瑞斯這么著急，是因為投資者等不下去了。這項技術(shù)在2020年已經(jīng)吸引了超過1億美元的融資，投資人包含美國最大風(fēng)投公司KPCB、Trident投資公司、VantagePoint投資公司、谷歌前CEO Eric Schmidt、Innovation Endeavors、SAIF Partners、盈富泰克、空客公司。
面對有限的產(chǎn)出，安普瑞斯未來可能會接受特斯拉的幫助。馬斯克一面嘲笑說“硅負(fù)極電池循環(huán)壽命太差”，高容量的400wh/kg電池要在2024年才能前后出現(xiàn)，還稱特斯拉與Amprius之間什么都沒發(fā)生;另一方面又曾在電池日活動背景中加入了硅納米線結(jié)構(gòu)圖作為宣傳。有媒體評論說，硅納米線電池的商業(yè)化落地，可能還是需要特斯拉，馬斯克對安普瑞斯別別扭扭的態(tài)度只是想降低安普瑞斯的籌碼，另一方面也是在期待成本的下降。
目前420-450mAh/g 容量的硅基負(fù)極材料(由硅基材料與石墨混合而成)市價在11-15萬/噸之間，中間值約為12 萬/噸，而高端石墨的價格僅有7-8 萬/噸。
硅納米線負(fù)極材料的商業(yè)化進程依舊受制于成本。
固態(tài)電池同為競爭者
與安普瑞斯發(fā)布的硅納米線負(fù)極電池一樣，近期以來還有一個指向提高能量密度的技術(shù)創(chuàng)新方向：固態(tài)電池。
一般認(rèn)為液態(tài)鋰電池的能量密度達(dá)到300Wh/kg已經(jīng)是非常出色的表現(xiàn)，而固態(tài)電池普遍可以達(dá)到300-400Wh/kg。
固態(tài)電池與目前主流傳統(tǒng)鋰離子電池最大的不同在于電解質(zhì)，它是用固體電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜。除了能量密度高，由于固態(tài)電解質(zhì)可以抑制鋰枝晶、不易燃燒、不易爆破、無電解液走漏、不會在高溫下發(fā)生副反應(yīng)等，固態(tài)電池具有更高的安全性。
但是，雖然固態(tài)電池的優(yōu)點非常明顯，其缺點也是致命的，并直接導(dǎo)致了固態(tài)電池的量產(chǎn)困難。由于固態(tài)電解質(zhì)與電極材料之間是以固態(tài)狀態(tài)存在聯(lián)系的，電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱。而且離子在固體物質(zhì)中傳輸動力低，因而會造成界面阻抗過大的問題。另一個問題依然是成本過高。
固態(tài)電池中近期最具爆炸性的一則消息是2月4日晚，固態(tài)電池廠商SES登陸紐交所。這家成立于2012年的公司是由華裔科學(xué)家胡啟朝創(chuàng)辦的，在其股東名單上可以看到天齊鋰業(yè)、通用汽車、上汽集團、吉利集團、韓國SK集團、美國應(yīng)用材料公司等等眾多業(yè)界大名鼎鼎的公司，顯然眾多企業(yè)都對它寄予厚望。
另外一則消息是，工信部2月20日發(fā)布的《免征車輛購置稅的新能源汽車車型目錄》(第五十一批)，由東風(fēng)公司技術(shù)中心自主開發(fā)的東風(fēng)風(fēng)神E70固態(tài)電池車名列其中，獲得免稅許可。標(biāo)志著東風(fēng)公司率先開始固態(tài)電池車量產(chǎn)。
動力電池后續(xù)將會怎樣發(fā)展，讓我們拭目以待。但無疑，在正極材料革新還沒有大的進展之時，從負(fù)極材料等角度進行革新將帶來意想不到的成果。
